ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Ископаемый уголь является одним из главных в мире сохранившихся минеральных ресурсов. Запасов этого источника топлива и химических веществ достаточно, чтобы служить миру в течение нескольких сотен лет.

Процесс образования углей является чрезвычайно сложным. Сначала твердое горючее ископаемое образуется из растительных остатков, захороненных в течение длительного периода времени. Исследования по микроструктуре углей выявляют ископаемые отпечатки растительного вещества, таких как листья, кора и другие компоненты дерева, а также предполагает, что образование углей происходило в результате окаменения растений. Твердое горючее ископаемое образуется в два периода. В течение первого периода растительный материал, погребенный под почвой, разлагается под действием бактерий в присутствии влаги и воздуха и образует частично разложившийся растительный материал, известный как торф. В течение второго периода слои торфа претерпевают химические и физические изменения из-за изменения давления и температуры земной коры на протяжении многих лет. Давление и температура вызывают постоянные химические изменения углеродсодержащего вещества в торфе, и оно постепенно превращается в уголь [1].

Уголь используется непосредственно, а также подвергается термической обработке при высоких и низких температурах для получения продукта и побочных продуктов. Можно сказать, что уголь – это главный и незаменимый продукт для коксохимических предприятий. Почти весь производимый сегодня кокс и угольные химикаты являются результатом производства высокотемпературной переработки угля.

Ископаемый уголь характеризуется своим большим разнообразием химического состава и поэтому обладает самыми разнообразными свойствами. Из-за этого уголь имеет возможность использования практически во всех отраслях народного хозяйства: начиная от коммунального хозяйства, заканчивая тепло- и электростанциями[1].

Качество углей представляет собой совокупность его свойств, которые применяются для удовлетворения потребностей тех или иных отраслей промышленности. В связи с тем, что область применения углей является большой, то и перечень показателей качества также не мал. В первую очередь качество углей оценивается по его химическим компонентам. Усредненный элементный состав углей имеет следующий вид: углерод – 74–96%, водород – 2,5–5,9%, кислород – 2–16%, азот – 1–2,5%, сера – 0,2–10%, фосфор – 0,01–0,03%. Помимо органических составляющих, всегда в угле присутствуют примеси минеральные, содержание которых колеблется в большом диапазоне [2].

1. Актуальность темы

В состав всех видов твердого горючего ископаемого входит некоторое количество серы: от 0,2% до 10%. Сера является очень вредной примесью для углей на коксохимических предприятиях. В связи с этим, перед использованием твердого горючего ископаемого в качестве сырья для коксования проводят анализы на содержание серы. Наиболее распространенным методом определения серы является метод Эшка. Главными недостатками этого метода являются: потеря органической серы при спекании и продолжительность метода – от 6 до 7 часов. Такие недостатки заставляют искать новые способы определения серы без потерь при проведении анализа и с минимальными затратами во времени.

2. Цели и задачи исследования

Целью исследования является поиск новых возможностей для изучения нанограммовых проб с новейшей технологией термического воздействия с использованием специального прибора Анализатора CS-3000, позволяющему быстро анализировать уголь и другие твердые материалы на содержание углерода и серы.

Основные задачи исследования:

  1. Изучить влияние элементного состава углей на процесс коксования и качество получаемой продукции.
  2. Провести анализ существующих методов определения углерода и серы в твердых горючих ископаемых.
  3. Рассмотреть возможность и условия проведения анализа на определение содержания серы и углерода в углях с помощью анализатора. Проверить данную информацию опытным путем.
  4. Сделать вывод о возможности проведения анализа углей с использованием Анализатора углерода и серы CS-3000.

Объект исследования: ископаемый уголь.

Предмет исследования: процесс совершенствование способов анализа содержания углерода и серы в твердом горючем ископаемом.

3. Элементный состав углей

Элементный анализ углей определяется в количественном содержанием в веществе угля углерода, водорода, кислорода, азота и серы. Значения элементного анализа может искажаться из-за присутствия в углях минеральной примеси, полученные результаты пересчитываются на горючую либо органическую массу [3].

Содержание углерода в углях достаточно выдержанное и имеет небольшие колебания по пластам. Для углей Донецкого бассейна в зависимости от марочного состава содержание углерода колеблется от 76% до 96%.

Водород является важнейшей составляющей и также его количество зависит от степени метаморфизма. С увеличением степени метаморфизма содержание водорода в углях уменьшается. Из петрографических ингредиентов, находящихся на одной к той же стадий метаморфизма, наибольшее содержание водорода характерно для витрена[3].

Кислород – нежелательная составляющая углей, поскольку снижает теплоту сгорания. Содержание кислорода в углях с увеличением степени метаморфизма аналогично водороду уменьшается.

Азот присутствует в углях в небольших количествах. Есть мнение, что с увеличением степени метаморфизма содержание азота в углях увеличивается, но чаще всего оно остается в одинаковом соотношении.

Сера – нежелательные и даже вредные части топлива. При избыточном их содержании в твердом горючем ископаемом качество металлургического кокса серьезно снижается: уменьшается его прочность, что приводит к ограничению применения для получения чугуна, возникают технические и экологические проблемы: загрязнение полупродуктов, коррозия оборудований, загрязнение воздуха. Поэтому количество серы в угле, используемом для производства металлургического кокса, должно быть минимальным[4–5].

4. Методы определения содержания серы и углерода в углях

В каких целях использовать уголь чаще всего зависит от содержания таких элементов как общий углерод, общая сера и ее разновидности. Одним из самых распространенных методов определения содержания общего углерода в твердом горючем ископаемом является метод Либиха, предложенный немецким химиком в 1831 году. Еще этот метод применяют для определения содержания водорода [6].

В 1874 году Адальбертом Эшкой для твердых горючих ископаемых был предложен метод определения серы с использованием специальной смеси – Эшка, который был распространен во всем мире и не потерял своего значения в нынешнее время.

Основой вышеперечисленных методов является реакция окисления всех форм углерода и серы до оксидов с последующим их определением[6].

4.1 Определение углерода

Суть метода Либиха заключается в следующем: образец твердого горючего ископаемого сжигается в трубке в медленном потоке кислорода. Над нагретым до 800°С оксидом меди продукты неполного сгорания дожигают с получением углекислого газа и паров воды, которые затем определяются гравиметрическим методом. Установка для определения углерода и водорода состоит из трубки сгорания, нагреваемой электрическими печами, системы очистки кислорода и устройств для поглощение углекислого газа и паров воды[7].

В методе Либиха образец угля сжигают в лодочке, перемещая раскаленную печь в направлении медленного потока кислорода (рисунок 1). Горение при этом протекает медленно и неравномерно в первую очередь при сожжении веществ, которые выделяют большой объем летучих соединений при разложении.

Рисунок 4.1 - Принципиальная схема сожжения навески угля при определении углерода и водорода

Рисунок 1 — Принципиальная схема сожжения навески угля при определении углерода и водорода [7]

Вода поглощается ангидроном, безводным Mg(ClO4)2, а углекислый газ поглощается аскаритом.

Результаты определения включают углерод из карбонатов минеральной массы. Определяют диоксид углерода из карбонатов и вводят поправку на содержание углерода в карбонатах минеральной массы в значение общего углерода для получения органического углерода[6].

Оксиды азота, образующиеся при горении, если не были приняты особые меры предосторожности, поглощаются аскаритом или натронным асбестом и определяются как диоксид углерода. Погрешность определения углерода, обусловленная этим, может быть уменьшена путем использования предохранительной трубки, в которой газы проходят через кольцевое пространство; монооксид азота окисляется до диоксида и поглощается диоксидом марганца. Если вода конденсируется в первом абсорбере, часть диоксида азота растворяется в нем и принимается за воду [7].

4.2 Определение серы

Гравиметрический метод определения общей серы методом Эшка заключается в сжигании навески угля путем спекания со смесью оксида магния и безводного карбоната натрия – смесью Эшка – в окислительной атмосфере при температуре 800°С. В этих условиях органическое вещество топлива сгорает, а сера переходит в сульфаты натрия и магния. Образующиеся сульфаты переходят в раствор. Предложены два альтернативных способа растворения сульфатов натрия и магния: в горячей воде или соляной кислоте. Сульфат–ион количественно осаждается в солянокислой среде хлоридом бария в виде сульфата бария. Общее содержание серы в навеске угля рассчитывается по массе осадка BaSO4 [6]

Сульфаты, содержащиеся в угле, могут переходить в спек в неизменном виде или вступать в реакцию обмена с карбонатом натрия. В обоих случаях сульфаты переходят в раствор при выщелачивании.

Пирит начинает разлагаться в присутствии кислорода при 400–500°С, а SO2 полностью улавливается нагретой смесью Эшка. Органическое вещество угля и вместе с ним органические соединения серы начинают разлагаться при значительно более низких температурах, чем пирит. Если выделению летучих серосодержащих соединений не предшествует хотя бы частичное окисление, продукты разложения могут проходить через слой смеси Эшка, не взаимодействуя с MgO и Na2CO3[8].

4.3 Принцип определения серы и углерода с использованием анализатора CS-3000

Принцип действия анализатора аналогично вышеуказанным методам основан на сжигании навесок исследуемых образцов, помещаемых в специальные керамические тигли, в индукционной печи и последующем измерении содержания углерода и серы в газообразных CO2 и SO2 методом инфракрасной абсорбции. Прибор построен на инфракрасных светочувствительных детекторах.

Перед анализом образец следует взвесить и массу образца внести в компьютер.

Образец и плавень помещаются в керамический тигель и сжигаются в высокочастотной печи при пропускании кислорода, углерод и сера соответственно образуют CO2 и SO2. Концентрация CO2 и SO2 в газах, выделяющихся при горении, определяется методом поглощения инфракрасного излучения, исходя из этого, вычисляется массовая доля углерода и серы в исходном образце[9].

Кислород является не только реакционным газом при горении, но и газом–носителем, а стабильность расхода является ключевым условием точного измерения.

Анализатор углерода и серы использует электронную систему регулирования расхода так, чтобы расход кислородного потока стабилизировать на уровне около 3 л/мин. Наряду с этим, пыль, образующаяся в процессе горения, легко адсорбирует CO2 и SO2, поэтому пылевой фильтр также является важным компонентом системы. Анализатор автоматически очищает трубку сгорания, что является необходимой мерой для обеспечения точности измерений. Кроме того, поглощение инфракрасных лучей водой может оказывать влияние на определение серы, гигроскопичный агент на выходе из печи используется, чтобы избежать этого влияния, что тоже важно.

Выходной сигнал, полученный инфракрасным детектором, и соответствующий концентрации CO2 и SO2, является нелинейным и требует линейной калибровки во время анализа[10].

Точный метод заключается сначала в линейной корректировке каждого полученного выходного сигнала (изменение с V0 на V на рисунке 2), затем двойным интегральным суммированием получают интегральные площади, соответствующие содержанию углерода и серы в образце. Таким образом, рассчитывают массовые доли углерода и серы в исходном образце. Кривая, отображенная на дисплее во время анализа образца, является кривой до линеаризации.

Рисунок 4.2 - Линеаризация инфракрасного сигнала обнаружения

Рисунок 2 — Линеаризация инфракрасного сигнала обнаружения [9]

Параметры, полученные путем линеаризации и интегрирования, имеют линейную зависимость от абсолютной массы углерода или серы в образце. Затем путем калибровки эталонного образца устанавливают связь между этой интегральной площадью и количеством углерода и серы в образце. Наклон этого изображения после калибровки эталонного образца называется поправочным коэффициентом, а его отрезок, отсекаемый на координатной оси, в свою очередь, является значением холостой пробы для прибора.

Компьютер вычисляет массовую долю углерода и серы на основе интегральной площади, массы образца, поправочного коэффициента и значения холостой пробы, и отображает в виде процентного соотношения: %C и %S[9].

Результат измерений содержит значение для холостой пробы, которое может быть определено заранее и автоматически вычтено из результата.

На рисунке 3 показана зависимость между интегральной площадью, вычисленной после линеаризации и калибровки эталонного образца, и содержанием углерода в образце. На рисунке 3 по оси абсцисс отложена интегральная площадь (VS), по оси ординат – содержание в образце: абсолютная масса углерода или серы в миллиграммах[10].

Рисунок 4.3 - Линейная взаимозависимость

Рисунок 3 — Линейная взаимозависимость [10]

Поскольку колебания базового инфракрасного сигнала оказывают значительное влияние на результаты измерений, базовый инфракрасный сигнал должен быть стабильным в относительно небольшом диапазоне. Поэтому анализатор углерода и серы оснащен схемой автоматической регулировки нуля, и перед каждым анализом образца базовый инфракрасный сигнал будет автоматически регулироваться в определенном диапазоне, который может быть установлен программным обеспечением, иначе в анализе будет отказано[10].

Список источников

  1. Агроскин А.А., Физические свойства углей / А.А. Агроскин: - М: Металлургиздат, 1961. - 298 с.
  2. Оценка качества угля: пособие / Федеральный институт повышение квалификаций, 2015. – 105 с.
  3. Скурский М.Д., О составе углей / М.Д. Скурский: - Техника и технология горного дела, 2022. – 31-82 с.
  4. Мулерт Ф., Сера в угле / Ф. Мулерт; пер. с нем. М.В. Гумилевой; под ред. Н.М. Караваева: - М: Госхимтехиздат, 1932. — 129с.
  5. Byong-Chul Kim. High temperature properties and reactivity of coal and coke for ironmaking: School of Materials Science and Engineering, 2012. - 348 p.
  6. Авгушевич И.В., Стандартные методы испытания углей. Классификации углей / И.В. Авгушевич, Е.И. Сидорук, Т.М. Броновец: – М.: «Реклама мастер», 2019. – 576 с.
  7. ГОСТ 2408.1-95 (ISO 625-96). Методы определения углерода и водорода. - Взамен ГОСТ 2408.1-88 и ГОСТ 27044-88; введ. 1997-01-01. - Минск: Межгос. совет по стандартизации, метрологии и сертификации; Москва: Издательствл стандартов, 2000. - 12 с.
  8. ГОСТ 8606–2015 (ISO 334:2013). Топливо твердое минеральное. Определение общей серы. Метод Эшка. - Взамен ГОСТ Т 8606—93; введ. 2017-04-01. - Москва: «СТАНДАРТИНФОРМ», 2019. - 20 с.
  9. Паспорт. Настольный анализатор углерода и серы в твердых веществах NCS CS-3000: - NCS TESTING TECHNOLOGY CO., LTD, 2023. - 4 с.
  10. Руководство по эксплуатации. Высокочастотный инфракрасный анализатор углерода и серы: - NCS TESTING TECHNOLOGY CO., LTD, 2020. - 40 с.